JP2012241758A - ティルティングパッドジャーナル軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】最下部（真下）のパッドに隣接するパッドに関する軸受支持部の水平方向の剛性を低くして、ジャーナルにかかる剛性の異方性を強める。
【解決手段】ティルティングパッドジャーナル軸受１の最下部（真下）に配置されたパッド３_１のピボット５_１の曲率半径Ｒ_１１を、当該最下部のパッド３_１に隣接するパッド３_２，３_６のピボット５_２，５_６の曲率半径Ｒ_１２，Ｒ_１６よりも小さくしたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、蒸気タービンや発電機等の大型高速回転機械の回転軸を支持するティルティングパッドジャーナル軸受に関する。

蒸気タービンや発電機等の大型高速回転機械の回転軸を安定して支持するジャーナル軸受には、通常ティルティングパッドジャーナル軸受が採用されている。

図６は従来のティルティングパッドジャーナル軸受を模式的に示す横断面図であり、図７は複数枚のパッド３のうちの任意の１枚に注目して描いた拡大図である。
図６および図７において、ティルティングパッドジャーナル軸受１は、回転軸のジャーナル（軸頸部）２の円周方向に等間隔に配置されて揺動可能に設置された複数枚（図では６枚を示す）の円弧状のパッド３および各パッド３を外側から囲繞するように支持する円弧状に２分割された軸受内輪４（４_１、４_２）を有している。ここで、ジャーナル２の真下すなわち最下部に位置するパッドに符号３_１を付与し、他のパッドには反時計回りに順次３_２，３_３・・・３_６の符号を付与している。

前述した軸受内輪４の外側には軸受外輪があり、さらに軸受外輪は軸受ケーシングあるいは基礎に固定されるようになっているが、これらについては図示していない。
そして、各パッド３_１，３_２，３_３・・・３_６はジャーナル２の摺動面２ａと対向する内面（潤滑面）にアルミニウムや銅などを主成分とする合金の軸受メタル３ａをそれぞれ形成するとともに、背面３ｂすなわち軸受内輪４の内面４ａと対向するほぼ中央部にピボット５_１，５_２，５_３・・・５_６を埋め込んで固定している。この各ピボット５_１，５_２，５_３・・・５_６の接触部（凸面）５ａは、所定曲率Ｒ_１の曲面あるいは球面に形成されている（図７参照）。

一方、軸受内輪４には、各ピボット５_１，５_２，５_３・・・５_６と対向する部位にピボットホルダー６_１，６_２，６_３・・・６_６を配置しており、このピボットホルダー６の接触部（凹面）６ａの曲率Ｒ２は、ピボット５の曲率Ｒ_１よりも若干大きい値（Ｒ_１＜Ｒ_２）に形成している（図７参照）。このため、各パッド３_１，３_２，３_３・・・３_６は、ピボット５_１，５_２，５_３・・・５_６とピボットホルダー６_１，６_２，６_３・・・６_６との点接触あるいは線接触によってジャーナル２の動きに応じて揺動可能になっている。

このように構成されたティルティングパッドジャーナル軸受１には潤滑剤として潤滑油が用いられており、この潤滑油は回転するジャーナル２とパッド３との間に発生する摩擦により移動し、ジャーナル２の摺動面２ａと各パッド３間に供給される。

図７では軸受内輪４の内面４ａの曲率中心Ｏｂと、軸受メタル３ａの曲率中心Ｏｐと、パッド３の重心Ｇとを結ぶ直線（一点鎖線）Ｌ１を引き、さらにパッド重心Ｇからその直線Ｌ１に垂直な線（実線）Ｌ２を引き、この垂直な線Ｌ２をパッド３の傾き角度θの基準角度（０°）としている。ここで、パッド３が反時計回りに傾くときの角度を正（＋）側、時計回りに傾くときの角度を負（−）側と定義すると、ジャーナル２が矢印のように半時計回りに回転する場合、パッド３の傾き角度θは後述のように正（＋）になる。

図７において、ジャーナル２の回転によって潤滑油はジャーナル２と軸受メタル３ａとの隙間Ｇａｐに供給されるわけであるが、ジャーナル２が高周速で回転するのに対して軸受メタル３ａの潤滑面は静止しているため、ジャーナル２の摺動面２ａと軸受メタル３ａの潤滑面との隙間Ｇａｐに供給された潤滑油には、ジャーナル２側とパッド３側とで非常に大きな速度差が発生する。

潤滑油に速度差が発生すると、潤滑油にせん断力が働き、潤滑油内部に粘性力が発生する。この粘性作用と、ジャーナル２とパッド３の動きから形成される傾きθによってくさび効果が発生し、ジャーナル２とジャーナル２にかかる荷重を支える下半部の３個のパッド３_６，３_１，３_２との隙間Ｇａｐに供給された潤滑油に図６に示すような油膜圧力分布Ｐ６，Ｐ１，Ｐ２が発生する。

下半部の各パッド３_６，３_１，３_２に発生する油膜圧力分布Ｐ６，Ｐ１，Ｐ２を全周積分するとジャーナル２にかかる荷重Ｗに一致する。下半部の各パッド３_６，３_１，３_２はピボット５とピボットホルダー６との接触点Ｔ１が、ジャーナル２の回転に応じて変化する油膜圧力分布Ｐ６，Ｐ１，Ｐ２の中心点の鉛直下方に位置するように自由に移動する。

このようにして、パッド３は自動調心して全体的に軸受荷重Ｗを受けるようになり、オイルホイップを発生させる不安定化力の発生を防ぐことができるので、ティルティングパッドジャーナル軸受は自動調心機能を有し安定性に優れ、特に高い安定性が要求される高速回転機械に適応されている。

しかし、パッド３は揺動振動を行うことから、非同期振動が発生し不安定になることもある。それを防ぐために、パッド端部付近に溝を加工し、溝内の潤滑油の流れによって潤滑油の流出を防止するようにした発明が開示されている。

米国特許６３６１２１５号明細書 特開２００１−１３２７３７号公報

ところが、近年、蒸気タービンや発電機の大型化、高速化の傾向が増した結果、安定性に優れたティルティングパッドジャーナル軸受といえども不安定振動が発生し易くなってきた。さらに、蒸気タービンの性能向上対策から、タービン段落数の増加、漏れ損失の低減、高温、高圧化の傾向が顕著であり、それらは軸系の危険速度の低下、システム減衰の低下、不安定化シール力の増大といった軸系の振動に対して、その安定度を低下する傾向を強めている。

その中で次のような特性をもつ不安定振動が確認されている。
負荷依存性があって負荷が小さい間は不安定振動が全く生じないか、または生じていても振幅が小さく問題にならない。しかし、負荷が大きくなると、不安定振動の振幅が急速に成長して激しい振動になり、負荷を増すことが困難になる。

また、振動数が軸系の一次固有振動数に近く、軸の回転速度が一次危険速度を超えて運転されている領域で不安定振動が生じる例が多く、したがって振動数は回転同期振動数よりも低い。このような振動を発生させる原因は流体力であり、これを不安定化力と呼び、次式のように連成ばね項でモデル化されることが多い。

このような不安定化力による不安定振動を抑制するために、ジャーナル２にかかる軸受油膜および軸受支持部の垂直方向と水平方向の剛性の異方性を強め、軸受油膜の減衰を大きくする対策が報告されている。

図８に軸受油膜および軸受支持部の剛性の構成を示す。それらの剛性は４つに分けることができ、１つは軸受油膜の剛性ｋ_ａ、残り３つは軸受支持部の剛性である軸受メタル３ａの剛性ｋ_ｂ、パッド３の剛性ｋ_ｃ、ピボット５とピボットホルダー６の接触剛性ｋ_ｄである。

図６に示すようなパッド形状の場合、ジャーナル２の荷重は真下すなわち最下部のパッド３_１に大きくかかり、軸受油膜の剛性ｋ_ａはジャーナルの荷重Ｗに比例するため、パッド３_１の軸受油膜の剛性ｋ_ａは、ジャーナル回転方向後方に隣接するパッド３_６や回転方向前方に隣接するパッド３_２のそれと比べて非常に大きく、またその方向は垂直方向であることから軸受油膜の剛性ｋ_ａの異方性が発生している。しかし一方、軸受支持部の剛性ｋ_b、ｋ_c、ｋ_dに関しては、垂直方向、水平方向に配置された各パッド３の差異は小さく、異方性があるとは言いがたい。

本発明は、上述した点に鑑みて、最下部のパッド３_１に隣接するパッド３に関する軸受支持部の水平方向の剛性を低くして、ジャーナル２にかかる剛性の異方性を強めることで安定性の良いティルティングパッドジャーナル軸受を提供することを目的とするものである。

上記の目的を達成するために、本実施形態は軸受内輪内に円弧状の複数のパッドをジャーナルの円周方向に揺動可能に内蔵したティルティングパッドジャーナル軸受装置において、荷重を受ける下半部のパッドのうち、最下部に配置されたパッドに固定したピボットの接触部の曲率半径を、当該最下部のパッドに隣接するパッドに固定したピボットの接触部の曲率半径よりも小さく設定したことを特徴とする。

本発明の実施形態１に係るティルティングパッドジャーナル軸受の下半部を示す断面図。 図１のティルティングパッドジャーナル軸受の最下部のパッドの拡大図。 図１の最下部のパッドに隣接するパッドの拡大図。 最下部のパッドに隣接するパッドが荷重を受けて変形した状態を示す図。 本発明の実施形態１におけるヘルツの理論式中の係数λを表す特性図。 従来のティルティングパッドジャーナル軸受を示す断面図。 図６中の任意のパッドの拡大図。 軸受油膜および軸受支持部の剛性の構成を示す図。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
［実施形態１］
本実施形態１について、図１乃至図５を参照して説明する。
（構成）
図１は本実施形態１に係るティルティングパッドジャーナル軸受の下半部を示す断面図であり、図２はジャーナル２の真下に位置するパッド３_１の拡大図、図３はジャーナル２の回転方向前方に隣接するパッド３_２の拡大図である。なお、ティルティングパッドジャーナル軸受１の上半部に配置されるパッド（図６のパッド３_１〜３_５）は、ジャーナル２の荷重Ｗを受けないので、特に説明はしない。また、パッドの個数は６個に限定されるものではない。

本実施形態１に係るティルティングパッドジャーナル軸受１が従来例と異なる点は、ジャーナル２の荷重を受ける下半部のパッドのうち、真下すなわち最下部に位置するパッド３_１に固定したピボット５_１の接触部（凸面）の曲率半径Ｒ_１１を、このパッドに隣接するパッド３_２またはパッド３_６にそれぞれ固定したピボット５_２またはピボット５_６の接触部（凸面）の曲率半径Ｒ_１２、Ｒ_１６よりも小さな値（Ｒ_１１＜Ｒ_１２、Ｒ_１１＜Ｒ_１６）に設定したことにある。なお、ピボットホルダー６の接触面（凹面）の曲率半径およびその他の構成は図６と同様なので、同一または対応する部品に同一符号を付けることにより重複する説明は適宜省略する。

ここで、最下部（真下）のパッド３_１に隣接するという意味は、最下部のパッド３_１から見てジャーナル２の回転方向前方または後方に隣接するという意味であり、パッド３_２が回転方向前方に隣接するパッドであり、パッド３_６が回転方向後方に隣接するパッドである。

（作用）
図４は荷重を受ける下半部の３個のパッドのうち、回転方向前方に位置するパッド３_２が変形した状態を示した図であり、破線は荷重Ｐを受ける前の形状を表し、実線はジャーナル２から荷重Ｐを受けたときの形状を表す。

パッド３_２がジャーナル２から荷重Ｐを受けると、ピボット５_２の接触部（凸面）５ａがピボットホルダー６_２の接触部（凹面）６ａに接触することによって、パッド３_２は実線のように変形する。その変形量はδとなり、その接触剛性はヘルツの理論から算出される。

ヘルツの理論によれば、２つの曲面同士が接触しているときの荷重Ｐと変形量δの関係は、接触点におけるピボット５の接触部（凸面）５ａの周方向曲率半径をＲ_１、軸方向曲率半径をＲ₁’とし、ピボットホルダー６の接触部（凹面）６ａの周方向曲率半径をＲ₂、軸方向曲率半径をＲ₂’とした場合、次の式（１）および（２）のように表わすことができる。

上記式（１）および式（２）において、Ｅはヤング率、νはポアソン比、λは接触部の曲率がなす角φから決まる定数である。また、各符号の添字１、２はそれぞれピボット５、ピボットホルダー６を意味する。定数λは前式（２）のＡと、次式（３）のＢとの比（cosθ＝Ｂ／Ａ）を満たすθに対応するλの値を図５から求める。

上述した形状の場合、φ＝0とおくことができる。式（１）を変形すると、

となる。上記Ｃはパッド形状、材料特性で決まるものである。

さらに上式（４）を荷重Ｐで微分すると、次式（５）

となるので、ピボット５とピボットホルダー６との接触剛性ｋ_ｄは、次式（６）で表すことができる。

このように、最下部に位置するパッド３_１のピボット５の接触部（凸面）５ａの曲率半径Ｒ_１１を、最下部のパッド３_１に隣接するパッド３_１２および３_１６のピボット５の接触部（凸面）５ａの曲率半径Ｒ_１２、Ｒ_１６よりも小さくすることで、式（２）においてＡが大きくなり、また式（４）においてＣも大きくなり、式（６）からピボット５とピボットホルダー６との接触剛性ｋ_ｄを低くすることができる。
この結果、水平方向の軸受支持部の剛性が低くなり、ジャーナル２にかかる剛性の異方性を強めることが可能となる。

（効果）
以上述べたように本実施形態によれば、最下部に位置するパッド３_１に隣接する軸受支持部の接触剛性が低くなり、ジャーナル２にかかる剛性の異方性が強まることで、作動流体からの不安定化力による不安定振動の発生を防ぐことができ、安定性の良いティルティングパッドジャーナル軸受を提供することができる。

なお、以上説明した実施形態は、一例として提示したものであって、発明の範囲を限定することを意図するものではない。また、この実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。その場合の実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１…ティルティングパッドジャーナル軸受、２…ジャーナル、３…パッド、３ａ…軸受メタル、３_１…最下部パッド、３_２…回転方向前方のパッド、３_３…回転方向後方のパッド、３ｄ…パッド潤滑面、２…軸受内輪、４ａ…軸受内輪内面、４…軸受内輪、５，５_１・・・５_６…ピボット、５ａ…接触部（凸面）、６，６_１・・・６_６…ピボットホルダー、６ａ…接触部（凹面）、Ｇａｐ…パッドとジャーナルの隙間。

Claims (1)

1. 軸受内輪内に円弧状の複数のパッドをジャーナルの円周方向に揺動可能に内蔵したティルティングパッドジャーナル軸受装置において、
   荷重を受ける下半部のパッドのうち、最下部に配置されたパッドに固定したピボットの接触部の曲率半径を、当該最下部のパッドに隣接するパッドに固定したピボットの接触部の曲率半径よりも小さく設定したことを特徴とするティルティングパッドジャーナル軸受。

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